"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Полимеры — вещества, молекулы которых построены из множества повторяющихся звеньев. Из них получают пластмассы, волокна, резину, упаковку и детали: эти материалы могут быть прочными, эластичными или устойчивыми к нагреванию. Свойства зависят от состава звеньев, длины и строения цепей. Полимеры получают, например, полимеризацией, при которой побочные вещества обычно не образуются, и поликонденсацией, сопровождающейся выделением небольших молекул.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из множества молекул которого образуется полимер. Это своего рода «строительный блок» будущей макромолекулы, поэтому состав мономера помогает предсказать, какие атомы окажутся в цепи.
Полимер — высокомолекулярное соединение, состоящее из многократно повторяющихся структурных звеньев. Молекула полимера обычно включает много атомов и имеет большую относительную молекулярную массу; именно поэтому свойства материала определяются не одной отдельной молекулой, а длинными цепями.
Структурное звено — повторяющаяся часть цепи полимера, происходящая из молекулы мономера. Оно показывает, какой фрагмент многократно повторяется в макромолекуле; его формулу используют, чтобы записывать строение полимера и рассчитывать его относительную молекулярную массу.
Полимеризация — соединение молекул мономера в длинную цепь без выделения побочных веществ. Это понятие отличает такой способ получения полимера от поликонденсации: при полимеризации исходные части складываются в цепь, а отдельные небольшие молекулы обычно не отщепляются.
Состав структурного звена связан с составом мономера, но это не всегда одна и та же формула, записанная без изменений. При полимеризации алкена двойная связь раскрывается: атомы остаются в составе молекулы, а освободившиеся связи помогают соединить соседние мономеры. Поэтому у полиэтилена, полученного из этилена CH₂=CH₂, повторяется звено –CH₂–CH₂–, а не молекула с двойной связью.
В одной макромолекуле соединяется много звеньев, поэтому её относительная молекулярная масса может быть очень большой. Число звеньев называют степенью полимеризации и обозначают n; для приближённого расчёта массу одного звена умножают на n. Цепи могут быть линейными, разветвлёнными или пространственными: строение зависит от того, как соединяются участки молекул и возникают ли связи между соседними цепями.
При полимеризации этилена двойная связь превращается в одинарную, а каждая молекула мономера присоединяется к растущей цепи. Схему записывают так: nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ. Буква n указывает, что звено повторено много раз; атомы исходного этилена входят в полимер, поэтому побочный продукт не образуется.
Поликонденсация тоже соединяет молекулы, но здесь реагируют функциональные группы — участки молекул, способные вступать в реакцию. При их соединении часть атомов может уходить в отдельную небольшую молекулу, например воду или хлороводород. Поэтому продукт реакции — не только полимер: одновременно образуется низкомолекулярное вещество, а состав звена отличается от полного состава исходных молекул.
Свойства материала зависят от состава звеньев, длины цепей и связей между цепями. Длинные цепи могут переплетаться и мешать друг другу перемещаться, что повышает прочность; подвижные цепи, напротив, помогают материалу растягиваться и быть эластичным. Если между цепями есть прочные поперечные связи, возникает пространственная сетка и термостойкость возрастает; линейные и разветвлённые цепи термопластов при нагревании могут двигаться свободнее, поэтому материал размягчается.
Таблица помогает сравнить процессы по исходным веществам, появлению побочных продуктов и изменению молекулярной массы. Сначала определите, как именно соединяются мономеры: по кратной связи или через функциональные группы. Затем проверьте, выделяется ли небольшое вещество и какой тип полимера образуется.
Названия в строке «Типичные полимеры» служат примерами, а не исчерпывающим списком: свойства конкретного материала зависят также от его строения и обработки. Для полимеризации молекулярная масса растёт по мере присоединения звеньев к цепи. При поликонденсации рост цепей сопровождается выделением низкомолекулярного продукта.
| Признак | Полимеризация | Поликонденсация |
|---|---|---|
| Исходные вещества | Мономеры, часто с кратной связью; возможны вещества с циклами | Мономеры с двумя или более функциональными группами |
| Изменение кратной связи или раскрытие цикла | Кратная связь раскрывается либо раскрывается цикл | Обычно не является основным способом соединения мономеров |
| Соединение функциональных групп мономеров | Не обязательно; цепь растёт за счёт присоединения мономеров | Функциональные группы реагируют друг с другом |
| Побочные продукты | Обычно не выделяются | Выделяются низкомолекулярные вещества: например, вода или хлороводород |
| Пример реакции | Этилен → полиэтилен | Образование полиэфира или полиамида с отщеплением небольшой молекулы |
| Типичные полимеры | Полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид | Полиэфиры, полиамиды, фенолформальдегидные смолы |
| Изменение молекулярной массы | Растёт при присоединении мономеров к цепи | Растёт при соединении молекул и сопровождается удалением побочных продуктов |
Задача. Запишите структурное звено полиэтилена и укажите мономер, из которого он образуется. Чтобы найти мономер, нужно мысленно обратить процесс: восстановить двойную связь между атомами углерода, которая раскрылась при полимеризации. При этом состав звена подсказывает, какие атомы входят в исходную молекулу.
Ответ: структурное звено полиэтилена –CH₂–CH₂–, мономер — этилен CH₂=CH₂. Двойную связь записывают у мономера, потому что именно она раскрывается в реакции; в готовой цепи её уже нет.
Задача. Определите относительную молекулярную массу полимера, если его цепь состоит из 1000 звеньев полиэтилена. В цепи повторяется –CH₂–CH₂–, то есть в одном звене два атома углерода и четыре атома водорода. Приближённый расчёт предполагает, что молекула состоит только из этих повторяющихся звеньев.
Ответ: относительная молекулярная масса цепи приблизительно равна 28 000. Если число звеньев увеличить, молекулярная масса тоже возрастёт пропорционально.
Задача. Сравните полиэтилен и фенолформальдегидную смолу: укажите способ получения, строение цепи и возможность повторного размягчения при нагревании. Здесь нужно связать метод получения со строением получившегося материала. Одного названия полимера недостаточно: решающим признаком будет наличие или отсутствие прочных связей между цепями.
Ответ: полиэтилен получают полимеризацией, его цепи при нагревании могут становиться подвижнее; фенолформальдегидную смолу получают поликонденсацией, и её пространственная сетка мешает повторному размягчению. При сильном нагревании такая смола не плавится, а разрушается.
Ошибка — считать мономер и структурное звено одним и тем же веществом. Это кажется правдоподобным, потому что звено происходит из мономера, однако при реакции его строение может измениться. Проверьте, не раскрылась ли кратная связь и не отделились ли небольшие молекулы: например, этилен CH₂=CH₂ превращается в звено –CH₂–CH₂–.
В структурном звене полиэтилена иногда оставляют двойную связь. Её путают с двойной связью мономера, хотя она расходуется при образовании цепи. Для самопроверки восстановите превращение: у этилена CH₂=CH₂ связь двойная, а в повторяющемся звене полиэтилена между атомами углерода связь одинарная.
Полимеризацию могут путать с поликонденсацией и забывать указать побочный продукт. Причина в том, что в обоих случаях из небольших молекул образуется крупное соединение, но при поликонденсации функциональные группы реагируют с отщеплением низкомолекулярного вещества. Проверьте уравнение реакции: если образуются вода, хлороводород или другая небольшая молекула, это признак поликонденсации.
Неверно считать, что любой пластик можно многократно расплавлять. Так ведут себя термопласты, а термореактивные полимеры имеют прочную пространственную сетку и при нагревании не переходят обратно в расплав. Чтобы проверить вывод, выясните, линейные ли цепи или сшиты между собой; не определяйте поведение материала только по слову «пластик».
Для понимания полимеров нужны знания о строении органических веществ, валентности углерода, двойной связи и уравнениях реакций. Алкены вступают в реакции присоединения и служат мономерами: раскрытие двойной связи позволяет соединить их в цепь. Эти сведения применяют при производстве пластмасс, синтетических волокон и каучуков, а также при переработке полимерных отходов. Долговечность материалов делает важными сортировку, повторное использование и экологические вопросы.
Чем полимер отличается от мономера?
Мономер — небольшая исходная молекула, из которой получают полимер. Полимер — крупная молекула, содержащая много связанных между собой повторяющихся звеньев.
Почему полиэтилен получают из этилена, хотя в структурном звене нет двойной связи?
При полимеризации двойная связь этилена раскрывается: одинарная связь между атомами углерода сохраняется, а освободившиеся связи соединяют молекулы в цепь. Поэтому звено полиэтилена имеет вид –CH₂–CH₂–, без двойной связи.
Всегда ли при образовании полимера выделяется вода?
Нет. При полимеризации, например этилена, побочные вещества не выделяются. При поликонденсации могут образовываться вода, хлороводород или другие низкомолекулярные вещества — это зависит от состава исходных веществ.
Почему одни пластмассы можно расплавить повторно, а другие нельзя?
У термопластов цепи не связаны в жёсткую пространственную сетку, поэтому при нагревании материал размягчается и его можно формовать снова. Термореактивные полимеры имеют прочные связи между цепями и при сильном нагревании не плавятся, а разрушаются.
Можно ли считать все полимеры искусственными материалами?
Нет. Полимеры бывают природными: например, целлюлоза, крахмал и белки. Существуют также искусственные и синтетические полимеры, которые получают переработкой природного сырья или химическим синтезом.
§ 47. Полимеры и полимерные материалы
